Name: lung decellularization and recellularization
Uploaded: 2023-04-30T06:33:07.000Z
Duration: 8 min 45 s
Channel: JoVE

<div class="chapter_text" id="script_0">
부분 또는 전체 장기의 체외 배양은 종종 다양한 테스트 조건에서 조직 및 장기 기능을 정확하게 모델링하기 위해 사용됩니다. 전체 장기 배양은 토착 기관 구조를 활용하기 위해 세포절제 된 장기의 탈세포화 또는 세포의 제거를 포함 할 수 있습니다. 이것은 새로운 세포로 재세포화에 선행됩니다. 특수 생물 반응기의 사용은 종종 신체의 조직 성장을 모방하기 위해 재세포화 과정에 통합됩니다. 이 비디오는 전체 장기 조직 배양 뒤에 근본적인 교장을 소개하고 실험실에서 절차를 보여줍니다.
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이 과정은 기증자 기관을 수확하는 것으로 시작됩니다. 이 예에서는 원숭이의 기증자 폐를 보여줍니다. 세제 관류라는 과정을 통해, 고립 된 기관은 체계적으로 세척의 시리즈에 의해 그것의 네이티브 세포 집단의 정화, 멸균 세포 기관 매트릭스의 결과. 다음으로, 조직 매트릭스는 확립된 줄기 세포주와 같은 특정 세포 유형을 사용하여 재세포화된다. 세포는 또한 자가 세포 이식에게 불린 조작된 조직을 수신하는 사람에 의해 기증될 수 있습니다. 이것은 거절을 완화하고 기관의 생체 적합성을 향상시킵니다. 대안적으로, 세포는 동종 이식에게 불린 다른 기증자에게서 이용될 수 있습니다. 잠재적인 수령인에게서 충분한 수의 세포를 수확할 수 없는 경우에 이것은 추구될 필요가 있을 지도 모릅니다. 세포가 기관에 종자되면 조직 생물 반응기는 세포 증식과 직접적인 조직 성장을 자극하는 데 사용됩니다. 이 반응기는 기관을 동적으로 배양하고 생체 내에서 발견되는 토착 환경을 모방하는 것을 목표로합니다. 예를 들어, 장기는 혈류를 시뮬레이션하기 위해 연동 펌프에 연결될 수 있다. 이제 장기 문화의 교장에 대해 배웠으니 기증자 폐의 전체 장기 문화와 관련된 예제 절차를 살펴보겠습니다.
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시작하려면 기증자 폐를 해부 트레이에 넣고 폐 동맥은 개방형 캐비티에 여성 루어 커넥터를 도입하여 캐뉼러됩니다. 그런 다음 두 번째 여성 루어 커넥터가 기관 개구부에 삽입됩니다. 헤파린 밀리리터당 30단위, 니트로트러스사이드 나트륨 밀리리터당 5마이크로그램을 함유한 인산염 완충식식염 또는 PBS는 혈관의 확대와 폐에서 갇힌 공기의 제거를 용이하게 하기 위해 주입된다. 용액은 천연 반동에 의해 추방되고 캐뉼라를 캡핑하기 전에 두 번 더 반복되며, 폐에 용액을 보유하여 잔류 혈액을 용해합니다. 이어서, 둘 다 아리아가 레이스화되고 기관 루어 캐뉼라 캡은 유체 배수를 용이하게 하기 위해 제거된다. 관류는 PBS, 헤파린 및 나트륨 니트로류 용액으로 가능한 한 많은 혈액이 폐 혈관에서 제거될 때까지 계속됩니다. 탈구를 시작하기 위해 폐는 팽창되어 탈화된 물로 침투합니다. 5개의 동맥 및 혈관 세차제 후에, 폐는 물에서 제거하고 기관 매트릭스에 최소한의 충격이 있는 동안 세포를 제거하기 위하여 Triton에게 불린 세제에 잠수됩니다. 폐는 섭씨 4도에서 하룻밤 을 배양하기 전에 트리톤 용액으로 두 번 더 팽창됩니다. 배양 후, 폐는 신선한 탈이온 된 물로 다섯 번 더 세척됩니다. 다음으로, 폐는 2% 디옥시콜레이트 나트륨 용액에 침수된 다음, 세포 이물질의 탈세포화 및 제거를 용이하게 하기 위해 물과 완충액으로 몇 번 더 세척됩니다. 완전히 정화되면 장기는 사용전까지 섭씨 4도에 멸균 PBS 용액에 저장됩니다.
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폐의 자연적인 행동을 모방하기 위해 여기에 표시된 것과 같이 전문 생물 반응기를 사용할 수 있습니다. 첫째, 원자로의 주요 챔버는 5%의 이산화탄소 대기에 평형된 배양 매체로 채워져 있다. 그런 다음 장기가 설치됩니다. 연결되면 뚜껑이 고정되고 모든 공기가 주사기를 사용하여 튜브에서 제거됩니다. 생물 반응기는 평형하기 위하여 조직 배양 인큐베이터로 이동됩니다. 다음으로, 폐는 2분마다 약 1개의 완전한 호흡으로 환기되고 매체는 연동 펌프를 통해 혈관을 통해, 총 30분 동안 분당 약 10 밀리리터로 순환된다.
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기도 파종의 경우, 폐는 골수 유래 중간엽 줄기 세포를 포함하는 세포 현탁액으로 팽창된다. 폐에서 일어나는 산소와 이산화탄소 가스 교환을 담당하는 폐포를 재세포화합니다. 폐는 세포가 탈세포 화릭스에 부착 할 수 있도록 밤새 배양된다. 하룻밤 잠복 후 환기가 다시 시작되고 세포는 며칠 동안 장기 매트릭스에서 자랄 수 있습니다. 다음으로, 혈관 파종은 연동 펌프를 사용하여 내피 세포의 점진적 도입에 의해 완료되어 작은 혈관의 재세포화를 시작한 다음 세포 정확한 장기의 개발을 용이하게하기 위해 몇 시간 동안 정적으로 배양됩니다. 배양 배지는 다시 순환되고, 세포는 동적 조건하에서 성장과 부착을 촉진하기 위해 일주일 동안 배양된다. 조직 성장이 완료되면, 조직학은 관두 줄기 세포와 혈관 및 기관의 기도에 내피 세포 모두의 부착 및 성장을 확인하기 위해 수행됩니다. 조직학은 매트릭스 스캐폴드 내의 폐포에 중간엽 줄기 세포및 내피 세포의 부착을 나타내며, 작은 혈관 혈관은 토착 폐 조직의 출현을 일으킨다.
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이제 전체 장기 문화에 대해 배웠으니 재생 의학 및 장기 교체의 주요 초점 이외에이 기술의 몇 가지 실용적인 응용 프로그램을 살펴 보겠습니다. 전체 장기 배양은 또한 제약 에이전트 또는 약물 전달 장치를 시험하는 방법으로 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 이 연구에서배아 마우스 갑상선은 장기 및 조직을 통해 실험적인 제약 에이전트가 어떻게 운반되는지 관찰하기 위해 장기 모델로 이식, 배양 및 활용되었습니다. 이 시뮬레이션은 궁극적으로 약물이 생체 내의 기관 내에서 전달되는 방법의 보다 현실적인 표현으로 이어질 수 있습니다. 마지막으로, 전체 장기 조직 배양 은 다양한 조건하에서 조직의 행동, 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 추간판은 소 꼬리에서 수확하여 디스크 변성의 가능한 메커니즘을 연구하였다. 특별히 설계된 바이오 리액터는 이러한 하중이 변성과 미치는 영향을 더 잘 이해하기 위해 디스크에 기계적 적재를 유도하기 위해 사용되었습니다.
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당신은 전체 장기 조직 문화에 조브의 비디오를 보았다. 이제 전체 장기가 어떻게 시험관 내에서 배양될 수 있는지, 그리고 이 기술이 생명 공학 분야에서 어떻게 적용되는지 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
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전체 장기 조직 배양

전체 장기는 전체 장기를 수리하거나 교체하는 것을 목표로 전문 생물 반응기를 사용하여 ex vivo를 배양 할 수 있습니다. 이 방법은 모든 세포의 박탈된 기증자 기관을 사용하여 3차원 구조를 남기고 새로운 세포로 다시 채워집니다. 이 비디오는 폐의 전체 장기 문화를 보여주고 신체의 기계적 자극을 모방하는 동적 문화가 토착 조직 특성을 유도하는 데 어떻게 필요한지 보여줍니다.

Whole organs can be cultured ex vivo using specialized bioreactors&#160;with the goal of repairing or replacing entire organs. This method uses a donor ...

다양한 테스트 조건에서 조직 및 장기 기능을 정확하게 모델링하기 위해 부분 또는 전체 장기의 체외 배양이 자주 사용됩니다. 전체 장기 배양은 본래 장기 구조를 활용하기 위해 절제된 장기의 탈세포화 또는 세포 제거를 포함할 수 있습니다. 그 다음에는 새로운 세포로 재세포화가 이루어집니다. 특수 생물 반응기의 사용은 종종 신체의 조직 성장을 모방하기 위해 재세포화 과정에 통합됩니다. 이 비디오는 전체 장기 조직 배양의 기본 원리를 소개하고 실험실에서의 절차를 보여줍니다. 이 과정은 기증자의 장기를 적출하는 것으로 시작됩니다. 이 예에서는 원숭이의 기증자 폐를 보여줍니다. 세제 관류(detergent perfusion)라고 하는 과정을 통해, 고립된 장기는 일련의 세척을 통해 고유 세포 집단을 체계적으로 제거하고, 그 결과 무균 무세포 장기 기질이 생성됩니다. 다음으로, 조직 기질은 확립된 줄기 세포주와 같은 특정 세포 유형을 사용하여 재세포화됩니다. 세포는 또한 자가 세포 이식(autologous cell transplantation)이라고 하는 조작된 조직을 받는 사람에 의해 기증될 수 있습니다. 이는 거부 반응을 완화하고 장기의 생체 적합성을 향상시킵니다. 또는 동종 이식이라고 하는 다른 기증자의 세포를 사용할 수 있습니다. 이는 잠재적 수용자로부터 충분한 수의 세포를 수확할 수 없는 경우 추구해야 할 수 있습니다. 세포가 장기에 파종되면 조직 생물반응기를 사용하여 세포 증식을 자극하고 조직 성장을 지시합니다. 이 반응기는 장기를 동적으로 배양하고 생체 내에서 발견되는 고유 환경을 모방하는 것을 목표로 합니다. 예를 들어, 혈류를 시뮬레이션하기 위해 장기를 연동 펌프에 연결할 수 있습니다. 장기 배양의 원리에 대해 배웠으니, 이제 기증자 폐의 전체 장기 배양과 관련된 예시 절차를 살펴보겠습니다. 먼저, 기증자의 폐를 해부 트레이에 넣고 열린 구멍에 암컷 루어 커넥터를 도입하여 폐동맥을 캐뉼레이션합니다. 그런 다음 두 번째 암 루어 커넥터를 기관 개구부에 삽입합니다. 그런 다음 헤파린 1밀리리터당 30단위와 니트로프루시시드나트륨 밀리리터당 5마이크로그램을 함유한 인산염 완충 식염수 또는 PBS를 주입하여 혈관을 확장하고 폐에서 갇힌 공기를 제거하는 데 도움을 줍니다. 용액은 자연적인 반동에 의해 배출되고 캐뉼라를 덮기 전에 두 번 더 반복되어 용액을 폐에 유지하여 잔류 혈액을 용해시킵니다. 그런 다음 양쪽 심방을 열상시키고 기관 루어 캐뉼라 캡을 제거하여 체액 배출을 용이하게 합니다. 폐혈관에서 가능한 한 많은 혈액이 제거될 때까지 PBS, 헤파린 및 니트로프루시드나트륨 용액으로 관류를 계속합니다. 탈세포화를 시작하기 위해 폐는 팽창하고 탈이온수로 침투합니다. 동맥 및 혈관을 다섯 번 세척한 후 폐를 물에서 제거하고 트리톤(Triton)이라는 세제에 담가 장기 기질에 미치는 영향을 최소화하면서 세포를 제거합니다. 폐는 트리톤 용액으로 두 번 더 팽창한 후 섭씨 4도에서 하룻밤 동안 배양합니다. 배양 후 폐는 신선한 탈이온수로 5회 더 세척됩니다. 다음으로, 폐를 2% 나트륨 데옥시콜레이트 용액에 담근 다음 물과 완충 용액으로 몇 번 더 세척하여 탈세포화 및 세포 파편의 제거를 촉진합니다. 완전히 세척되면 장기는 사용할 때까지 섭씨 4도의 멸균 PBS 용액에 보관됩니다. 폐의 자연스러운 행동을 모방하기 위해 여기에 표시된 것과 같은 특수 생물 반응기를 사용할 수 있습니다. 첫째, 반응기의 메인 챔버는 5% 이산화탄소 대기와 평형을 이룬 배양 배지로 채워집니다. 그런 다음 오르간이 설치됩니다. 연결되면 뚜껑이 고정되고 주사기를 사용하여 튜브에서 모든 공기를 제거합니다. 그런 다음 생물반응기를 조직 배양 인큐베이터로 옮겨 평형을 이룹니다. 다음으로, 폐는 약 2분마다 한 번의 완전한 호흡으로 인공호흡을 하고 배지는 연동 펌프를 통해 총 30분 동안 분당 약 10ml의 속도로 혈관 구조를 통해 순환됩니다. 기도 파종을 위해 폐는 골수 유래 중간엽 줄기 세포를 포함하는 세포 현탁액으로 팽창됩니다. 폐포를 재세포화하기 위해 폐포는 폐에서 일어나는 산소와 이산화탄소 가스 교환을 담당합니다. 그런 다음 폐를 밤새 배양하여 세포가 탈세포화된 기질에 부착할 수 있도록 합니다. 하룻밤 배양 후 인공호흡이 다시 시작되고 세포가 며칠 동안 장기 기질에서 자랄 수 있습니다. 다음으로, 연동 펌프를 사용하여 내피 세포를 점진적으로 도입하여 작은 혈관의 재세포화를 시작한 다음 몇 시간 동안 정적으로 배양하여 세포의 정확한 기관의 발달을 촉진함으로써 혈관 파종을 완료합니다. 배양 배지를 다시 순환시키고 세포를 일주일 동안 배양하여 역동적인 조건에서 성장과 부착을 촉진합니다. 조직 성장이 완료되면 조직학을 수행하여 장기의 혈관 구조와 기도에서 중간엽 줄기 세포와 내피 세포의 부착 및 성장을 확인합니다. 조직학은 중간엽 줄기 세포와 내피 세포가 기질 골격 내의 폐포와 작은 혈관 혈관에 부착되어 천연 폐 조직의 모양을 만드는 것을 보여줍니다. 이제 전체 장기 배양에 대해 배웠으므로 재생 의학 및 장기 대체의 주요 초점 외에 이 기술의 몇 가지 실제 응용 프로그램을 살펴보겠습니다. 전체 장기 배양은 의약품 또는 약물 전달 장치를 테스트하는 방법으로도 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 본 연구에서는 배아 마우스 갑상선을 이식, 배양 및 장기 모델로 활용하여 실험용 약제가 장기와 조직을 통해 어떻게 운반되는지 관찰했습니다. 이 시뮬레이션은 궁극적으로 약물이 생체 내 장기 내에서 어떻게 전달되는지를 보다 현실적으로 표현할 수 있습니다. 마지막으로, 전체 장기 조직 배양은 다양한 조건에서 조직의 거동을 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 디스크 퇴행의 가능한 메커니즘을 연구하기 위해 소 꼬리에서 추간판을 채취했습니다. 이러한 부하가 변성에 미치는 영향을 더 잘 이해하기 위해 디스크에 기계적 부하를 유도하기 위해 특별히 설계된 생물 반응기가 사용되었습니다. Whole Organ Tissue Culture에 대한 Jove의 비디오를 시청하셨습니다. 이제 전체 장기를 체외에서 배양하는 방법과 이 기술이 생명 공학 분야에 어떻게 적용되는지 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.

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공학

Bioengineering

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Whole Organ Tissue Culture

lung decellularization and recellularization

Whole organs can be cultured ex vivo using specialized bioreactors to support repair or replacement of entire organs. In this approach, a donor organ is first stripped of all cells. What remains is the three-dimensional structure of the organ, which can then be repopulated with new cells.

The lung is the example shown here. The method uses a dynamic culture system that provides mechanical stimulation, similar to what the organ experiences in the body. This type of culture helps induce native tissue properties in the developing lung tissue.

Lung Decellularization and Recellularization

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overview of biomaterials

Biomaterials in Medicine and Engineering

Biomaterials are materials designed to interact well with biological organisms or molecules. They may come from an organism, be produced by an organism, or be made as a synthetic polymer. Because of these properties, engineers use biomaterials in medicine and other biological applications. These materials are used in tissue engineering, biosensing, and drug delivery. Tissue engineering uses materials to support the growth or repair of tissues. Biosensing uses materials to detect biological...

collagen hydrogels

Porcine Collagen for Tissue Engineering

Collagen is a useful biomaterial with uses that go beyond the lab. It has also found commercial use in photography. In tissue engineering, collagen can be turned into hydrogels that give engineered tissue support and structure. This page follows the path from porcine skin to a collagen hydrogel. Porcine skin is used as the source of collagen. The material is then prepared for use in tissue engineering applications. The video also shows several applications of collagen and the methods used to...

electrospinning of silk biomaterials

Silk Cocoon Processing for Fiber Mats

Silk cocoons can be processed into a soluble material that is useful for making biomaterials. Silk fibers have been used for fabrics and threads for centuries, but turning them into a versatile pre-polymer solution is a newer technique. That solution can then be shaped into materials with controllable mechanical properties. The process begins with silk worm cocoons. The silk is solubilized, or dissolved, so it can be handled as a liquid-like solution. The video then shows how that silk...

overview of biomem devices

BioMEMs in Diagnostics and Miniaturization

Bio-microelectromechanical systems, or BioMEMs, are microscale devices used in diagnostic settings. They work with very small sample and reagent volumes in vivo and in vitro, which means inside a living body or outside it in a lab. These compact systems support bioengineering research and help make diagnostic tools more efficient. BioMEMs can carry out functions such as filtration, sensing, and synthesis on a tiny scale. Using less material can lower costs and improve sensitivity. The...

microfabrication via photolithography

Photolithography for Silicon Wafer Patterning

Photolithography is a common microfabrication method used to pattern a silicon wafer. It uses light to transfer a design onto the wafer surface. This process helps form the basis for many BioMEM devices. The page also shows how photolithography is carried out in a cleanroom. Cleanroom steps are important because they support careful fabrication of small, detailed features. The video ends by introducing applications of this process in BioMEM device production.

soft lithography

Photolithography for Microfluidic Device Making

Photolithography and soft lithography are used to make BioMEM devices such as microfluidic channels. A microscale pattern is copied by curing an elastomeric polymer over a 3D structure. The result is a polymer piece that can serve as part of a biological device. These polymer structures are then used to build a range of tools. Some are microfluidic channels for biosensing applications. Others are microscale bioreactors that let scientists visualize micro-colonies. The process also shows how...

overview of bioprocess engineering

Bioreactors and Protein Production in Bioprocessing

Bioprocessing uses living organisms to make a desired target product. In many cases, that product is a protein made in a bioreactor, which is a controlled vessel for growing cells. This process often relies on genetically engineered organisms. Engineers design the system so the cells can produce proteins at large scale. That approach is central to making biotherapeutics, which are drugs made from biological materials. Biotherapeutics are important medicines for complex diseases such as...

synthetic biology

Engineering Cells to Produce Proteins

Synthetic biology is a bioengineering method for programming cells to make useful products. In many cases, the goal is to genetically modify an organism so it can produce large amounts of a protein. That protein may already be made by the cell, or it may come from a newly inserted DNA sequence. The process depends on changing an organism’s genetic material. This is done with transformation or transfection, two common ways to introduce DNA into cells. The video also shows how this work is...

batch and continuous bioreactors

Growing Cells in Bioreactors

Bioreactors are used to grow organisms in large volumes. This makes it possible to produce large amounts of a target product. In laboratory and bioengineering settings, they provide a controlled place for cell growth and product formation. The two main reactor types are batch reactors and continuous reactors. A batch reactor contains all of the materials needed for cell growth at the start. A continuous reactor has inlet and outlet ports, so fresh growth media can be added while cell waste is...

overview of biosensing

How Biosensors Detect Molecules

Biosensors detect biological molecules and chemical contaminants by combining biology with physical measurement. They can identify targets such as proteins or cells, as well as non-biological molecules like chemicals or contaminants. This makes biosensing a useful field for studying and monitoring many kinds of samples. These devices rely on different signal types to find the target molecule. Some biosensors use electrical signals, while others depend on optical, electrochemical, or mechanical...

electrochemical biosensing

Glucose Sensors and Cancer Detection

Electrochemical biosensors detect target molecules by measuring an oxidation-reduction event. That signal changes when a molecule binds to the sensor surface. These sensors helped shape modern biosensing after the first glucose biosensor was invented. The glucose biosensor is a key example of this technology. It shows how electrochemical sensing can track a biological target through a measurable electrical change. The same basic idea also helps explain how electrochemical biosensors can be...

optical biosensing

Detecting Molecules with Light

Optical biosensors detect target molecules with light. They monitor binding by reading an optical signal from the sample. This makes them useful for seeing when a target molecule is present. Some optical biosensors use a label molecule. The label creates a measurable signal, such as fluorescence. Other optical biosensors are label-free and track changes in optical properties, such as refractive index, as binding occurs. This page introduces both label and label-free optical biosensors. It...

overview of tissue engineering

Building Artificial Tissue with Biomaterials

Tissue engineering uses biomaterials, specific cells, and growth factors to build artificial tissue. These engineered tissue constructs are designed for tissue repair and, in some cases, organ replacement. The field focuses on how to make tissue work like natural tissue. It begins with a scaffold, which is a structure that supports cell growth. Cells are then added to the scaffold, and growth factors help encourage proliferation, or cell multiplication. The video also outlines common methods...

histotypic tissue culture

3D Cell Growth on Engineered Matrices

Histotypic tissue culture uses an engineered three-dimensional matrix to grow and propagate cells. Compared with common two-dimensional tissue culture, cells in a 3D setting behave more realistically and better mimic native tissue. The method is useful when high cell density is needed. The process begins by harvesting cells from donor tissue. Those cells are then placed onto an engineered construct for culture. This setup supports growth in a three-dimensional space instead of a flat surface.

whole organ tissue culture

Whole organs can be cultured ex vivo using specialized bioreactors to support repair or replacement of entire organs. In this approach, a donor organ is first stripped of all cells. What remains is the three-dimensional structure of the organ, which can then be repopulated with new cells. The lung is the example shown here. The method uses a dynamic culture system that provides mechanical stimulation, similar to what the organ experiences in the body. This type of culture helps induce native...

bioengineering

이 컬렉션은 생체재료, 조직 형태 및 전체 장기 조직 배양, 바이오프로세싱 기술 및 복잡한 시스템 수준의 bioMEM 및 바이오센싱 분야의 생산을 포함하는 핵심적인 생명공학의 개념을 다룹니다.

Learn how donor lungs are decellularized, repopulated with new cells, and grown in bioreactors that provide dynamic mechanical stimulation.

Lung Decellularization and Recellularization

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